Induktionsmotorer (asynkronmotorer) i elbilar
En induktionsmotor — även kallad asynkronmotor — skapar rotorns magnetism utan permanentmagneter eller en separat strömförsörjning till rotorn. Den enkla kortslutningsrotorn, det reglerbara fältet och förmågan att arbeta vid höga varvtal gör den till ett tåligt alternativ för eldrift.
Så skapar induktion vridmoment
Växelriktaren matar statorns tre faslindningar med strömmar som är förskjutna i tid. Tillsammans skapar strömmarna ett magnetfält som roterar runt luftgapet. Fältets rotationshastighet bestäms av den elektriska frekvensen och motorns antal magnetiska poler.
Den vanliga rotorn i en drivmotor är en kortslutningsbur: ledande stavar av aluminium eller koppar löper längs det laminerade stålet och kortsluts i ändarna av ringar. Det roterande statorfältet skär genom stavarna och inducerar ström i dem. Strömmen skapar ett magnetfält i rotorn, och samverkan mellan de två fälten producerar vridmoment.
För att induktion ska uppstå måste rotorn rotera med en annan hastighet än statorfältet. Skillnaden kallas eftersläpning eller slip. Vid motordrift släpar rotorn normalt efter det roterande fältet; vid generatordrift, inklusive regenerativ bromsning, vänds det reglerade förhållandet så att mekanisk effekt blir elektrisk effekt.
Eftersläpning är en egenskap, inte ett fel
Eftersläpningen anges ofta som en procentandel av den synkrona hastigheten. Den förändras med behovet av vridmoment och är inte samma sak som hjulspinn. Vid låg belastning kan den nödvändiga elektromagnetiska eftersläpningen vara liten. Högre vridmoment kräver i allmänhet mer rotorström och en större reglerad hastighetsskillnad.
Växelriktaren gör betydligt mer än att lägga på en fast AC-matning. Vektorregleringen uppskattar eller mäter rotorflödet och skiljer de strömkommandon som upprättar flödet från dem som skapar vridmoment. Genom att kontinuerligt ändra fasström och frekvens kan regleringen ge ett jämnt vridmoment från stillastående och genom fältförsvagningsområdet.
Trefasdrift skapar ett jämnt roterande fält, men tar inte bort behovet av reduktionsväxlar. De flesta drivenheter med induktionsmotor sänker fortfarande motoraxelns höga varvtal innan vridmomentet överförs till hjulen.
Rotorkonstruktion och värme
Induktionsmotorer i elektriska personbilar använder normalt en kortslutningsrotor eftersom den saknar borstar, släpringar, magneter och isolerade rotorlindningar. Det finns induktionsmaskiner med lindad rotor, men de är inte den normala arkitekturen i en modern drivenhet för elektriska personbilar och ska inte förväxlas med en elektriskt exciterad synkronmotor.
Avsaknaden av rotormagneter förenklar materialförsörjningen, men induktion innebär inte förlustfri magnetisering. Statorströmmen måste upprätta fältet i luftgapet och överföra effekt till rotorn. Det elektriska motståndet i buren omvandlar en del av den inducerade rotorströmmen till värme. Vid hög belastning kan det vara en av drivenhetens största termiska utmaningar att föra bort denna värme från en roterande komponent.
Styrkor i en elbil
En induktionsrotor är mekaniskt enkel och kan tåla höga varvtal när bur, plåtpaket, axel och lager är konstruerade för de belastningar som uppstår. Det finns ingen risk för avmagnetisering av permanentmagneter och rotorn innehåller inga sällsynta jordartsmetaller i magnetform.
Växelriktaren kan minska maskinens flöde när behovet av vridmoment är litet. När en induktionsmotor på en sekundär axel görs strömlös kan den rotera med lågt elektromagnetiskt motstånd eftersom den saknar ett permanent rotorfält. Förluster i lager, tätningar och kugghjul, från oljeomrörning samt kvarvarande elektromagnetiska förluster finns ändå kvar, så ”inget motstånd” ska inte tolkas bokstavligt.
Induktionsmotorer kan också tåla korta överbelastningar när växelriktare, batteri och kylsystem har tillräcklig marginal. Det är användbart vid korta accelerationer, men temperaturen — inte ordet ”induktion” — sätter den upprepningsbara gränsen.
Begränsningar och konstruktionsavvägningar
Kopparförluster i rotorn och magnetiseringsströmmen från statorn kan vid vissa driftpunkter minska systemets verkningsgrad och effektfaktor jämfört med en väloptimerad permanentmagnetdrift. De ökar också växelriktarströmmen för en given axeleffekt.
Jämförelserna beror på kartan. En induktionsmotor är inte i sig ineffektiv vid högt varvtal, och en permanentmagnetmotor är inte automatiskt överlägsen överallt. Rotorkonstruktion, elplåt, luftgap, kylning, switchstrategi, utväxling och fordonets driftcykel bestämmer resultatet.
Exakt reglering beror också på uppskattning av rotortemperatur och parametrar, eftersom burens resistans förändras när rotorn värms upp. Regleringen måste hålla flöde och vridmoment stabila utan direkt elektrisk åtkomst till rotorn.
Så använder tillverkarna induktionsmotorer
En induktionsmotor kan vara den huvudsakliga drivmotorn eller en förstärkningsmotor på en andra axel. Audis PPE-drivsystem är ett tydligt exempel på en blandad motorlösning: en permanentmagnetiserad synkronmotor driver i första hand bakaxeln, medan en främre induktionsmotor aktiveras när ytterligare prestanda eller väggrepp behövs. När frontmotorn är inaktiv kan den rotera med lågt motstånd.
Denna uppbyggnad är ett systemval, inte en universell regel. Fordonets verkliga verkningsgrad beror på hur ofta respektive axel arbetar, om en koppling finns, förlusterna i växlar och däck samt hur styrprogramvaran väljer driftpunkter.
Tillbaka till Electric Motors and Drive Units.